CN105141355A - 一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，源节点拟向目的节点进行通信，通过单向资源预留协议找到路径，并向路径输入突发数据业务流；不同优先级突发数据分组在路径中进行传输，若没有遇到数据冲突，则突发数据分组就顺利到达目的节点；若多个突发数据分组遇到冲突，对突发数据分组进行分片处理；对突发数据被分片的部分进行重传。本发明采用优先级分片技术进行冲突处理，并提出了多次分片优先级再判定机制，从而较好地实现多业务区分服务，有效保证了OBS网络的QoS，并在重传设置重传次数以及重传概率权重，以控制OBS网络重传数据负荷量。更符合实际OBS网络运行情况，成果更具一般性且更具实际参考价值。

Description

一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法

技术领域

本发明涉及光纤通信网络数据交换技术领域，具体是一种光突发交换OBS(OpticalBurstSwitching)网络中支持服务质量QoS(QualityofService)的可控数据重传方法。

背景技术

在OBS网络中，边缘节点负责将若干IP分组根据其相同的目的地等属性封装成突发数据分组，同时为封装好的每一个突发数据分组产生一个突发控制分组BCP(BurstControlPacket)，BCP先于突发数据分组利用控制波长信道进入OBS核心交换网，其对应的突发数据分组等待一个偏置时间进入OBS核心交换网中。由于OBS采用了恰量时间JET(JustEnoughTime)等单向资源预留协议，因此在OBS核心节点中，当多个突发数据分组拟同时占用相同波长进行输出时，就会发生数据冲突。目前所提出的冲突解决措施包括突发数据分组分片技术、偏射路由、光缓存和波长转换等，其中分片技术以其高效、低成本等优势而受到重点关注。为了进一步减少数据损失，突发数据分组重传被用作各种冲突解决措施的一种有效补充。目前国内外对OBS网络中的数据重传研究成果包括：基于TCP协议的OBS突发数据分组重传方式，以及集合偏射路由技术的突发数据分组重传技术，此两种方案都能得到较低的分组丢失率，增加网络吞吐量，但所提出的重传措施中没有加入控制元素，使得重传次数等指标不能进行有效控制，不可控的重传有可能会导致网络负荷的急剧增大从而增大数据丢失率。为了克服重传不可控问题，一种对网络负荷增加量和端到端数据损失减少量进行折中的可控重传方案被提出，但是此方案仅通过设置2个重传概率对整个重传过程进行控制，并且此方案仅适用于对整个突发数据分组进行重传，因而其重传数据粒度为分组量级，而不适用于采用了突发数据分组分片技术的OBS网络，更重要的是，此方案没有考虑存在多优先级业务的冲突情况，与存在多业务的OBS网络实际运行情况产生较大差距。为了适用于分片技术，一种突发数据分组部分数据重传方案被提出，此方案能够将分片后的部分数据进行重传，但是没有考虑到重传负荷对分组丢失率的影响以及多业务冲突情况。为了支持多业务的OBS网络，一种基于优先级分片的可控重传技术被提出，此方案能够进行优先级分片并为不同类型业务设置不同的重传概率，从而能够支持OBS网络的QoS，但是此方案仅针对单链路的点对点网络拓扑结构，因而与实际中具有mesh拓扑结构特点的OBS网络产生一定差距。实际上，对于OBS网络中某一给定路径上的核心交换节点，不仅需要解决本给定路径上突发数据的冲突问题，更需要考虑与给定路径相连接的其余链路(称为关联路径)上所到达的突发数据与本路径上突发数据的冲突情况，因此在考虑重传问题时，必须考虑与给定路径所关联链路上的业务负荷情况。鉴于此考虑，有学者提出了考虑路径关联并基于分片技术的可控性重传方案，此方案在考虑基于分片技术的重传时，虽然考虑了路径关联问题，但是并没有考虑多业务区分服务情况，因此不能支持存在多业务的OBS网络。更重要的是，以上所述重传技术中重传概率仅以常数设定，并未考虑到重传次数以及突发数据分组优先级因素。

因此，如何设计出能够同时满足：(1)有效支持多业务共存网络环境；(2)基于突发数据分组优先级分片技术；(3)考虑到重传次数及突发数据分组优先级因素的重传概率设定；(4)适用于具有mesh拓扑结构等4个条件的OBS网络可控型数据重传方法，对OBS技术的推广能提供更具实际意义的理论依据。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于突发数据分组分片技术，并且能够有效支持多业务QoS，同时又充分考虑路径关联的OBS网络数据可控重传方案。

一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、源节点拟向目的节点进行通信，通过单向资源预留协议为要发送的突发数据业务找到了路径r，并且开始向路径r中输入突发数据业务流，突发数据业务流中包含了不同业务类型的突发数据分组，每种突发数据分组被赋予不同的优先级别；

步骤2、不同优先级突发数据分组在路径r中进行传输，如果在路径r中的核心节点没有遇到数据冲突，则突发数据分组就顺利到达目的节点，整个数据传输过程结束；若在路径r上的某核心节点中，多个突发数据分组遇到冲突，对突发数据分组进行分片处理，并进入步骤3；

步骤3、对突发数据被分片的部分进行重传。

如上所述的步骤2中的分片处理包括以下步骤：

步骤2.1、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域没有扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，按照如下方式处理：

若原突发数据分组优先级低于或等于竞争突发数据分组优先级时，对原突发数据分组进行尾部冲突区域分片处理；

若原突发数据分组优先级高于竞争突发数据分组优先级时，则对竞争突发数据分组进行头部冲突区域分片处理；

步骤2.2、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域已经扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，则在发生冲突的突发数据分组优先级不同时，将低优先级突发数据分组丢弃；在优先级相同时，将竞争突发数据分组丢弃。

如上所述的突发数据分组被分片后，其继续传输的剩余部分优先级比分片前的突发数据分组的优先级降低一级。

如上所述的步骤3包括以下步骤：

突发数据被分片的部分的重传次数小于设定次数K时，继续对突发数据被分片的部分进行重传；若重传次数大于等于设定次数K时，丢弃突发数据被分片的部分。

对突发数据被分片的部分以概率α进行重传，以概率1-α丢弃，其中概率α由以下公式获得：

α＝1-(k·η_k+p·ν_p)

其中，k为重传次数；η_k为重传权重，p为突发数据分组优先级，ν_p为突发数据分组优先级权重。

如上所述的η_k的值随着重传次数增大而相应增大；ν_p的值随着突发数据分组优先级增高而减小。

如上所述的p为自然数，p数值越大，优先级越低。

本发明相对于目前OBS网络中所研究的数据重传技术而言，同时具备以下三个特点：

(1)采用优先级分片技术进行冲突处理，并提出了多次分片优先级再判定机制，从而较好地实现多业务区分服务，有效保证了OBS网络的QoS，

(2)对每一次重传而言，需要根据重传数据优先级以及其重传次数等情况设定其重传概率权重，同时对重传次数也加以适当限制，以控制OBS网络重传数据负荷量；

(3)充分考虑路径关联问题。

因此，本发明所提出的重传技术较目前的研究更符合实际OBS网络运行情况，成果更具一般性且更具实际参考价值。

附图说明

图1为基于突发数据分组分片技术的数据可控重传实施过程流程图。

图2为基于优先级的突发数据分组分片技术实施措施。(a)为低优先级业务与其余不同优先级业务冲突后的分片措施，(b)为高优先级业务与其余不同优先级业务冲突后的分片措施，(c)为不同优先级业务冲突后的突发数据分组丢弃情况，(d)为相同优先级业务冲突后的突发数据分组丢弃情况。

图3为基于突发数据分组分片技术的数据可控重传示意图。

图4为仿真实验网络拓扑结构。

图5为相同重传概率下路径r中的路径阻塞率。

图6为相同重传概率下不同优先级业务在路径r上的字节丢失率。

图7为不同重传概率下路径r中的路径阻塞率。

图8为不同重传概率下不同优先级业务在路径r上的字节丢失率。

图9为考虑路径关联情况下，不同优先级业务的字节丢失率情况。

具体实施方式

下面通过实施例，即OBS网络中的给定路径r中的数据重传过程，对本发明的技术方案作详细说明，但不用来限制本发明的范围。如图1所示，技术方案具体步骤为：

步骤1、OBS网络中某源节点拟向某目的节点进行通信，通过单向资源预留协议为其所将要发送的突发数据业务找到了路径r，并且开始向路径r中输入突发数据业务流，其中包含了视频、音频、文本等多种类型的突发数据分组，每种的突发数据分组根据其实时性等要求而被赋予不同的优先级别，不失一般性，例如，在本实施例中，根据的突发数据分组对实时性要求的不同，将的突发数据分组优先级分为两个优先级，高优先级1和低优先级0，前者对实时性要求较高，而后者对实时性要求相对较低；

步骤2、不同优先级突发数据分组在路径r中进行传输，如果在路径r中的核心节点没有遇到数据冲突，则突发数据分组就顺利到达目的节点，整个数据传输过程结束；若在OBS网络中的路径r上的某核心节点中，多个突发数据分组遇到冲突，于是就需要对突发数据分组进行分片处理，并且进入步骤3。本发明提出的基于业务优先级的突发数据分组分片技术如图2所示，主要分以下三种情况：

步骤2.1、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域没有扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，按照如下方式处理(这里定义原突发数据分组为先到达核心节点输出端口正在进行输出处理的突发数据分组，而竞争突发数据分组为晚于原突发数据分组，但与原突发数据分组抢占同一个输出波长信道准备进行输出处理的突发数据分组)：

当原突发数据分组优先级低于或等于竞争突发数据分组优先级时，对原突发数据分组进行尾部冲突区域分片处理；

当原突发数据分组优先级高于竞争突发数据分组优先级时，则对竞争突发数据分组进行头部冲突区域分片处理；

步骤2.2、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域已经扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，则在优先级不同时，将低优先级突发数据分组丢弃；在优先级相同时，将竞争突发数据分组丢弃；

需要强调的是，本发明提出了被分片后的突发数据分组优先级再判定规则，即，突发数据分组被分片后，其继续传输的剩余部分优先级比分片前的突发数据分组的优先级降低一级。

在本实施例中，若一个高优先级突发数据分组在经历k次冲突后其长度小于等于t，则有以下两种情况之一发生：

(1)此高优先级突发数据分组的长度在第(k-1)次冲突后被分片后已经小于等于t；

(2)此高优先级突发数据分组由于冲突被分片，第k次冲突被分片时其长度小于等于t。

同样，若一个低优先级突发数据分组在第k次重传后其长度小于等于t，则同样有以下两种情况之一发生：

(1)此低优先级突发数据分组的长度在第(k-1)次冲突后被分片后已经小于等于t；

(2)此低优先级突发数据分组由于冲突被分片，第k次冲突被分片时其长度小于等于t。

步骤3、利用分片技术解决数据冲突后，为了进一步减少数据损失，实施分片的OBS核心节点将会对突发数据被分片的部分进行重传。

在本发明中，为了对重传负荷进行较好控制，本发明采用设定重传次数和设定重传概率两种措施对重传过程进行控制，如图3所示。重传次数上限的设定是针对同一突发数据分组而言，本实施例中设定为K。同一个突发数据分组在经历多次冲突并被分片后，其被分片剩余部分继续作为新的突发数据分组继续传输，而被分片掉的部分(分片部分)则进行重传，若分片掉的部分重传次数小于K，则继续对分片部分进行重传处理；若重传次数已经达到K次，则丢弃此分片部分。

当一个被分片突发数据分组尚未达到重传次数上限时，就需要对其进行重传处理。本发明中，并不是对每一个被分片突发数据分组都进行重传，而是需要依据重传概率才能选择重传还是丢弃，如图3所示，被分片突发数据分组只能以概率α进行重传，而以概率1-α被丢弃。本发明提出：重传概率的设定需要同时考虑重传突发数据分组的优先级及其重传次数。基本原则有以下两点：

(1)对同一突发数据分组而言，重传次数越多，则被赋予的重传概率越小；

(2)高优先级突发数据分组会被赋予较低优先级突发数据分组高的重传概率权重。

因此，重传概率α应为考虑以上因素的函数构成，根据以上2个重传概率设定原则，本发明给出了加权重传概率设定函数，由下式表示：

α(k,η_k,p,ν_p)＝1-(k·η_k+p·ν_p)k,p＝1,2,3,...；0≤k·η+p·ν≤1

其中，k为重传次数；η_k为重传权重，其值会随着重传次数增大而相应增大；p为突发数据分组优先级，本发明设定值为1是最高优先级；ν_p为突发数据分组优先级权重，其值会随着突发数据分组优先级增高而减小。在本实施例中，重传次数上限设定为4次，而突发数据分组优先级设定为高优先级和低优先级2种级别，即p＝1和p＝2分别代表高优先级和低优先级突发数据分组。

当重传次数达到上限时，就停止重传，而将被突发数据分组被分片部分做丢弃处理。突发数据分组每次经历重传时，实施重传任务的OBS核心交换节点会将此信息反馈给源节点。

以和分别表示在k次重传后，高优先级突发数据分组和低优先级突发数据分组的字节丢失率ByLP(ByteLossProbability)，则可分别表示为：

$P_{loss0}^k=\underset{r\∈R}{\Σ}\frac{{\mathrm{\λ}}_r^k}{\mathrm{\λ}}\·\left(1-\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{\mathrm{th}}_r^l\left(t\right)dt}{k\·B}\right)$

$P_{loss1}^k=\underset{r\∈R}{\Σ}\frac{{\mathrm{\λ}}_r^k}{\mathrm{\λ}}\·\left(1-\frac{\underset{i=1}{\overset{k}{\Σ}}{\∫}_0^{\mathrm{\∞}}{\mathrm{th}}_r^l\left(t\right)dt}{k\·B}\right)$

其中和分别表示高优先级突发数据分组和低优先级突发数据分组包长的概率分布函数，R表示OBS网络中所有目的节点和源节点之间的最短路径集合。

需要重点强调的是，在分析给定路径r上不同类型业务的负荷量时，必须考虑到与路径r直接关联的相邻链路中发送而来的业务量情况，因为直连链路中的业务量会增大路径r上的负荷量，从而增大数据阻塞率。因此，在分析不同优先级业务在路径r上的分片及重传问题时，必须考虑到路径关联问题。在本实施例中，设定对于路径r上的节点n，考虑路径关联问题后，在第k次重传后，其所承载的负荷量为：

${\mathrm{\ρ}}_{rn}^k=\frac{\underset{i\∈Md\left(n\right)}{\Σ}{\mathrm{\λ}}_{ri}^k+\underset{j\∈Nd\left(n\right)}{\Σ}{\mathrm{\β}}_{rj}^k+{\mathrm{\λ}}_{rj}^k+{\mathrm{\β}}_r^k}{{\mathrm{\μ}}_r}$

其中和分别表示第k次重传时高优先级突发数据分组和低优先级突发数据分组在路径r上的到达率，和分别表示第k次重传时，高优先级突发数据分组和低优先级突发数据分组在路径r上的节点n的关联路径i和j上的到达率，μ_r表示突发数据分组在路径r上的服务率，Md(n)和Nd(n)则分别表示与路径r所关联的路径中，正在传输高优先级突发数据业务和正在发送低优先级突发数据业务的链路集合。

图4给出了实施例所用的OBS网络，即具有14个核心交换节点、3个入口节点(i1，i2，i3)和3个出口节点(e1，e2，e3)的美国国家自然科学基金网(NSFNET)拓扑结构。设定此OBS网络的波分复用链路数据传输率为100Gbps。突发数据业务在入口节点的到达率服从泊松分布，重传次数上限设为4次，所有路径选择均已最短路径优先算法为基准。

不失一般性，给定路径r(i1-1-8-9-14-13-e3)。图5给出了此路径上突发数据分组的路径阻塞率性能。可以看到，路径阻塞率随着网络负荷的增大而增大，同时，在相同负荷前提下，也随着重传概率的增大而增大。很明显，可控的重传方法所产生的路径阻塞率要低于不可控的重传方法(α＝1)，有效说明本发明提出的可控重传方法相对于传统方法的性能改进。

图6给出了不同优先级突发数据分组的字节丢失率情况，这里设定每次重传所依据的重传概率相同。同样看到，在相同负荷前提下，较大重传概率所获得的字节丢失率低于较小重传概率获得的字节丢失率。重要的是，高优先级突发数据分组获得了较低优先级突发数据分组低的字节丢失率，较好地实现了区分服务，保证了OBS网络的QoS，有效说明了本发明提出的基于优先级的分片技术的优越性。

图7和图8分别给出了在设定不同重传概率情况下的路径阻塞率和字节丢失率性能。这里设定重传概率随着重传次数的增大而减小，这和实际OBS网络运行情况是相符合的，为了控制重传负荷量，网络应该不断减小已经重传多次的突发数据分组的重传概率。本实施例中通过改变重传概率权重等参数设定α_i＝0.5·α_i-1(i＝2,3,4)，路径阻塞率走势相似于图5，在相同负荷下，重传概率的增加将增大路径阻塞率；字节丢失率走势相似于图6，在相同负荷下，其会随着重传概率的增大而减小。同样可以看到，重传概率对字节丢失率的影响要大于对路径阻塞率的影响。同样，如图8所示，高优先级突发数据分组的字节丢失率在任何网络负荷情况下皆低于低优先级突发数据分组，又一次证明了所提出的分片技术能够较好的支持OBS网络QoS。

为了研究多业务在路径关联下的冲突情况，图9给出了基于不同PCF值，不同优先级突发数据分组的字节丢失率情况。这里，采用了3条具有不同PCF的路径，分别为路径1：i1-1-8-9-14-e2；路径2：i1-1-8-9-14-13-e3，和路径3：i1-1-8-9-14-11-12-e1，与这3条路径所直连的链路数目分别为7，8和9。假设这些直连链路中均有突发数据业务流向给定路径，则路径1，路径2和路径3的PCF值就分别为7，8和9。从图中可以看到，字节丢失率随着网络负荷及PCF值的增大而增大，这主要是由于从关联路径传送而来的突发数据业务使得给定路径上的突发数据业务冲突概率变大，从而造成数据丢失率增大。同样可以看到，高优先级突发数据分组在任何情况下的字节丢失率均小于低优先级突发数据分组，OBS网络的QoS从而得到了很好的保证。

如上所述，本发明的技术方案利用可控的数据重传方法，对经历冲突并被分片的突发数据分组进行重传处理，获得了比不可控的数据重传方法更低的路径阻塞率，很好地减小了重传负荷对网络产生的不利影响，同时采用了基于优先级的分片技术，以及充分考虑了路径关联特性，使得所提出可控重传方法能够有效支持网络QoS，所得结果更具实际参考价值。

以上所描述的具体实施例仅为本发明精神的举例说明，本发明领域的普通技术人员能够显而易见的对具体实施例进行修改、补充或以类似方法替代，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、源节点拟向目的节点进行通信，通过单向资源预留协议为要发送的突发数据业务找到了路径r，并且开始向路径r中输入突发数据业务流，突发数据业务流中包含了不同业务类型的突发数据分组，每种突发数据分组被赋予不同的优先级别；

步骤2、不同优先级突发数据分组在路径r中进行传输，如果在路径r中的核心节点没有遇到数据冲突，则突发数据分组就顺利到达目的节点，整个数据传输过程结束；若在路径r上的某核心节点中，多个突发数据分组遇到冲突，对突发数据分组进行分片处理并进入步骤3；

步骤3、对突发数据被分片的部分进行重传。

2.根据权利要求1所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，所述的步骤2中的分片处理包括以下步骤：

步骤2.1、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域没有扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，按照如下方式处理：

若原突发数据分组优先级低于或等于竞争突发数据分组优先级时，对原突发数据分组进行尾部冲突区域分片处理；

若原突发数据分组优先级高于竞争突发数据分组优先级时，则对竞争突发数据分组进行头部冲突区域分片处理；

步骤2.2、当发生冲突的突发数据分组之间的冲突区域已经扩大至整个原突发数据分组或竞争突发数据分组，则在发生冲突的突发数据分组优先级不同时，将低优先级突发数据分组丢弃；在优先级相同时，将竞争突发数据分组丢弃。

3.根据权利要求2所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，所述的突发数据分组被分片后，其继续传输的剩余部分优先级比分片前的突发数据分组的优先级降低一级。

4.根据权利要求3所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，所述的步骤3包括以下步骤：

突发数据被分片的部分的重传次数小于设定次数K时，继续对突发数据被分片的部分进行重传；若重传次数大于等于设定次数K时，丢弃突发数据被分片的部分。

5.根据权利要求4所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，对突发数据被分片的部分以概率α进行重传，以概率1-α丢弃，其中概率α由以下公式获得：

α＝1-(k·η_k+p·ν_p)

其中，k为重传次数；η_k为重传权重，p为突发数据分组优先级，ν_p为突发数据分组优先级权重。

6.根据权利要求5所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，所述的η_k的值随着重传次数增大而相应增大；ν_p的值随着突发数据分组优先级增高而减小。

7.根据权利要求5所述的一种光突发交换网络中支持服务质量的可控数据重传方法，其特征在于，所述的p为自然数，p数值越大，优先级越低。